爐外精煉是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的冶金工藝。所謂爐外精煉就是把一般熔煉爐中要完成的脫氣、排除雜質(zhì)、調整成分和溫度等項精煉任務(wù),幾乎全部地或部分地移至爐外進(jìn)行。鋼水爐外精煉又稱(chēng)二次煉鋼,因鋼水多數在鋼包內進(jìn)行精煉,所以也叫鋼包冶金。
在爐外精煉過(guò)程中,鋼包、透氣磚和噴槍這三個(gè)部位用耐火材料的工況環(huán)境非常惡劣,對耐火材料的沖刷或者侵蝕嚴重。因此,在耐火材料的選材上尤為重要。
1、鋼包內襯耐火材料
傳統上,鋼包是煉鋼爐與鑄錠之間的儲運容器,可是爐外精煉就是在鋼包中進(jìn)一步精煉。因此鋼包內襯的使用條件大大惡化,鋼液溫度升高,在鋼包中停留時(shí)間延長(cháng),鋼液和熔渣對耐火材料的沖刷、侵蝕等更加嚴重,以往的耐火材料不能滿(mǎn)足爐外精煉的需要,為此,我國開(kāi)發(fā)了多種鋼包內襯耐火材料,滿(mǎn)足鋼廠(chǎng)需要。主要有以下幾種:
(1)鋁鎂碳磚
1990年寶鋼300t鋼包試用鋁鎂碳磚后,迅速推廣到許多鋼廠(chǎng),成為我國大中型鋼包內襯的主要耐火材料。當時(shí)寶鋼300t鋼包壁使用鋁鎂碳磚,渣線(xiàn)使用鎂碳磚,出鋼溫度1660~1670℃,在鋼包內對鋼液進(jìn)行RH真空脫氣,KIP和CAS法爐外精煉處理,鋁鎂碳磚表面僅粘有薄的熔渣層,抗侵蝕性好,無(wú)爐渣滲透,無(wú)熱震損毀現象,侵蝕均勻,平均使用壽命80次,最高126次。鋁鎂碳磚系由高鋁熟料+鎂砂+石墨+抗氧化劑+酚醛樹(shù)脂結合劑的混合料成型的不燒耐火制品,工藝比較簡(jiǎn)單,成本不高,容易被用戶(hù)接受。
(2)鋁鎂尖晶石澆注料
20世紀90年代中期,為了適應爐外精煉,一些大、中型鋼包內襯采用高檔鋁鎂尖晶石澆注料,其原料是電熔剛玉、燒結剛玉、高純電熔鎂砂、高純鋁鎂尖晶石等,用純鋁酸鈣水泥、高純SiO2、Al2O3微粉結合的澆注料。寶鋼300t鋼包使用到2000年,平均壽命為258次;首鋼90tLF精煉鋼包壽命達138次,侵蝕率0.62mm/次;本鋼使用的預制件壽命為118次,最高達126次。
(3)鎂鈣質(zhì)耐火材料
太鋼以普通白云石為原料,中溫瀝青結合的白云石搗打料,在70t鋼包上使用,平均壽命76次,最高112次;洛耐院曾以合成鎂鈣砂和電熔鎂砂為原料,以固體無(wú)機鹽和無(wú)機鹽溶液為結合劑,開(kāi)發(fā)的不燒鎂鈣磚,在40t的LF-VD精煉包上使用,壽命40次以上,鋼中的氧含量從12.2×10-6下降到11.13×10-6;21世紀初,首鋼以合成鎂鈣砂、電熔鎂砂、高純石墨為原料,以無(wú)水樹(shù)脂為結合劑,開(kāi)發(fā)出不燒鎂鈣碳磚,在225t鋼包非渣線(xiàn)部位(渣線(xiàn)部位為鎂碳磚)使用,平均壽命116.8次,與原鋁鎂碳磚相比,在包壁減薄20mm的情況下,平均壽命提高35.57次,且鋼中的氧含量和非金屬夾雜物都降低。還有些鋼廠(chǎng)在SKF和LF-VD等多種鋼包渣線(xiàn)部位用鎂鈣碳磚,也取得良好的使用效果。
(4)降低精煉鋼包耐火材料消耗
我國精煉鋼包達70%以上,鋼包用耐火材料消耗占鋼鐵冶金耐火材料總消耗的30%以上,隨著(zhù)精煉比例增加,鋼包用耐火材料單耗在增加。我國耐火材料消耗量一般認為在20kg/t鋼,而國外先進(jìn)國家在6~8kg/t鋼,降低鋼包耐火材料消耗,起著(zhù)降低成本、節能減排的重要作用。
田守信等人在精煉比例100%的60tLF鋼包上做降低耐火材料消耗的研究:渣線(xiàn)采用再生料66%的鎂碳磚,熔池采用再生料88%的鋁鎂碳磚。
降低單耗的措施是:根據鋼包操作條件設計鎂碳磚;提高渣中鈣含量,降低侵蝕速率,包的前期渣有較高FeO含量,使磚中碳易被氧化,要提高鎂碳磚的抗氧化性,采用提高螢石渣粘度添加劑。為了降低成本,選用用后鎂碳磚;改善操作條件,采用出鋼留渣操作,通過(guò)改善泡沫渣等方法,減少爐渣FeO含量,鋼包壽命提高20%;不用SiC脫氧劑,改用碳含量15%(w)的鎂鈣碳質(zhì)鋼包改質(zhì)劑,渣線(xiàn)鎂碳磚壽命提高15%;改善維護制度,用厚40mm的二級高鋁磚對熔池貼補,壽命提高45%以上。這樣一來(lái),鋼包壽命由40~50次,提高到88次,再扣除使用再生料,噸鋼耐火材料資源性消耗由9.3kg下降到1.4kg,下降85%。
2、吹氬透氣磚
鋼包底吹氬工藝在爐外精煉中廣泛應用,透氣磚是這一工藝的關(guān)鍵功能耐火材料。目前鋼包底透氣磚成為限制鋼包壽命提高的瓶頸因素。透氣磚的使用過(guò)程為間歇式重復使用。影響透氣磚使用壽命的諸多因素中,熱剝落和氧氣清洗是導致透氣磚損毀的重要原因。透氣磚的材質(zhì)主要是鉻剛玉質(zhì)和剛玉-尖晶石質(zhì),通常采用澆注成型,高溫燒成工藝。由于鉻剛玉在高溫燒成過(guò)程中形成六價(jià)鉻,污染環(huán)境,逐漸被剛玉-尖晶石質(zhì)取代。為了提高透氣磚使用壽命,優(yōu)化配料組成,改變水泥加入量來(lái)調整澆注料中基質(zhì)CaO含量,使基質(zhì)中形成較多CA6,提高抗熱震性及強化結構作用,調整尖晶石粒度及加入量,添加適量ZrO2或鋯剛玉,優(yōu)化燒成溫度等措施,優(yōu)化透氣磚的性能。
還有的是非氧化物(Si3N4;Sialon)結合的剛玉質(zhì)透氣磚,現場(chǎng)使用表明:抗熱震優(yōu)異,與鋼液不潤濕等特點(diǎn),在使用過(guò)程中吹通率高,吹氧清洗容易,蝕損率低,使用壽命明星提高。
3、噴槍用耐火材料
通過(guò)噴槍向鋼液中噴吹粉狀處理劑,對鋼液進(jìn)行精煉處理。如SL法的粉狀精煉劑CaSi,用氬氣通過(guò)插入鋼包深處的噴槍吹入鋼液中,經(jīng)過(guò)氣體攪拌,精煉劑與鋼液充分混合與反應。噴射冶金噴槍耐火材料使用條件苛刻,鋼液溫度高,爐渣侵蝕和熱震損毀嚴重。洛耐院研制的整體噴槍結構,渣線(xiàn)部位采用剛玉質(zhì)澆注料,渣線(xiàn)以上和以下采用Al2O3含量70%~80%的澆注料,在40tSL噴射冶金裝置中使用,噴槍的使用壽命15~19次,總噴吹時(shí)間95min。寶鋼的噴槍采用Al2O3含量不低于99%的電熔剛玉,添加耐熱鋼纖維增強的耐火澆注料,使用壽命10~20次,總吹煉時(shí)間100min/支,最高188min/支。